露天棄碴場邊坡失穩破壞與防治策略研究
——以白鶴山隧道棄碴場為例

王余鵬

（福建林業職業技術學院，福建 南平 353000）

露天棄碴場邊坡穩定性關系到施工人員和設備的安全，以及工程是否能順利進行，這一直是建筑技術人員重視的問題。影響棄碴場穩定性的因素較多且復雜，例如邊坡位移、傾斜角、地震波、空隙水壓、連續降水等，需要系統全面地研究分析各影響因素特點，來判定露天棄碴場失穩的時間、可能發生的區域位置及失穩破壞的規模。

目前，棄碴場穩定性的研究方法主要有LECFAHP極限平衡法、強度折減法、有限元滑移線場法、邊坡強度形態優化折減法等［1，3-4，7］。但大多數是以單一的邊坡穩定性數值模擬或是以工程實例模型試驗仿真。目前研究雖然取得了一定成果，但考慮降雨和地震兩項因素對棄碴場穩定性影響的相關研究較少。在極限平衡法、強度折減法等理論發展的同時，數值有限元模擬為解決棄碴場穩定性提供了一種近似解。夏冬等概述了白礪灘煤礦飽水砂質泥巖弱層長期強度計算與邊坡穩定性的特點［8］，劉燕燕等描述了土質邊坡失穩破壞的雙安全系數穩定性分析方法［9］，黃潤秋、張妙枝、龍哲、言志信等提出了無黏性土斜坡的傾倒變形特點［15，19，21-22］。除有限元數值模擬外，各種節理巖體強度及變形參數模型試驗應用也比較廣泛。張程遠、劉杰、姜光成、於汝山等對邊坡破壞的沖擊荷載作用及地震波速度跨尺度轉換進行量化和修正［10-13］；吳昊、趙華、李世俊、寇昊等采用離心模型試驗模擬了邊坡在地震條件下的反應以及反傾邊坡傾倒變形演化過程［16-18，20］；王蘭民、陳金昌、張澤林等以地震和降雨耦合作用下邊坡為例進行滑坡加速度深度放大效應及震后變形模式研究，反演了邊坡在地震和降雨耦合作用下的動力響應［23-25］。本文以暴雨或連續降雨+地震工況下的白鶴山隧道棄碴場為研究案例，利用MⅠDAS軟件進行穩定性分析及數值模擬，分析多工況下邊坡的等效應變、塑性應變、Y方向位移及主應力分布的發展趨勢，判定邊坡的穩定狀態，為露天棄碴場邊坡工程提供減災與避災的科學依據。

1 露天棄碴場穩定性影響因素

（1）巖土性質。巖土類型、礦物組成、巖土強度及結構是影響邊坡裂隙場穩定的重要因素。致密堅硬、礦物質穩定、強度較高的巖土構成的邊坡較為穩定。

（2）邊坡結構。邊坡受結構面影響導致巖體開裂，降低了巖體的整體完整性，使邊坡沿著結構面組合邊界的邊緣產生剪切位移、裂縫、畸形等而造成邊坡的崩塌、滑坡、泥石流等災害。

（3）水文地質條件。暴雨或連續降雨增加了坡體結構面下滑位移；同時暴雨對邊坡形成面狀、溝狀的侵蝕，使邊坡失去原有側向及底部的支撐，并使軟夾層和結構水平面抗剪強度降低，導致縫隙水壓增大，從而減小滑動面上的有效荷載，造成邊坡的失穩。

（4）地震作用。地震作用導致邊坡崩塌，主要是產生水平方向附加力的加速度，當地震水平方向的附加力超限時，將導致結構面抗滑力降低，結構層之間的下滑力增大，繼而造成邊坡失穩。

2 工程案例

2.1 工程概況

九江—景德鎮—衢州鐵路起自九江站，經銅九鐵路從湖口站引出，在景德鎮市與皖贛鐵路交叉，再向東經婺源縣并與合福客運專線交叉，繼續向東經德興市，進入浙江開化縣、常山縣，止于衢州市，長343 km，共設15 個車站。白鶴山三號隧道出口、丙龍山隧道棄碴場位于浙江省開化縣楊林鎮中莊自然村北側。白鶴山隧道棄碴場為白鶴山三號隧道出口和丙龍山隧道共用的棄碴場。原設計的棄碴場位于線路DK227+200右側40 m左右的山谷內，后堆放場地改做新杭新景高速公路，棄碴場向西北側偏移，形成近東西向排列的棄碴場，如圖1所示。

圖1 棄碴場衛星影像

2.2 工程地質條件

（1）氣象。屬北亞熱帶季風氣候，陰濕寡照，雨量集中在春夏季。根據1958年以來的降水量統計，平均年降水量1 805 mm，一年中降水集中期是4—6 月的梅汛期，根據短歷時暴雨圖冊，工程區最大降水量為 45 mm·h-1。

（2）水文。工程區位于山體斜坡中下部，地表水體不發育。在中莊自然村有一條溪溝。溝寬7～9 m，水深0.3～0.5 m，溝底沖刷較強烈。水量隨季節變化明顯，一般雨季、洪水期水量較大，旱季水量小，水流常年不息。

（3）棄碴場地形地貌。工程區位于浙江省開化縣楊林鎮中莊自然村境內，屬于浙西低山丘陵，最高點為白鶴山山頂，高程約為364 m，最低點在南部溝溪內，高程約為115 m，當地侵蝕基準面標高107 m。棄碴場庫區主要位于山體斜坡中下部，地面高程范圍140～180 m（紅線范圍內），地形坡度8～25°，地形坡度較平緩。工程區匯水面積約86 000 m2。

2.3 周邊環境

白鶴山隧道棄碴場位于溝谷邊，棄碴場側緣距離杭新景高速公路路肩43 m，距離東南側上莊村313 m。

（1）棄碴場巖土參數。現場實測丙龍山隧道進口棄碴場總占地面積12 000 m2，堆方厚度5～19.65 m，總土方量 11.77 萬 m3。現場勘查后，共布設5 條剖面，線距25 m，線長300 m。碴體均為碎石塊，一般塊徑5～8 cm，大塊徑30～50 cm。

（2）防排水及綠化措施。目前，棄碴場表面多已自然復綠，綠化效果較差。棄碴場邊緣設置有排水溝，并進行了水泥硬化。另外，碴體頂部平臺東北側分布一南北走向排水溝與坡頂平臺相連，排水溝長約25 m，寬約55 cm，深約70 cm。棄碴場表面與平臺間未設置截水溝。

（3）支擋及防護措施。棄碴場坡腳擋墻位于南側溝口附近，地形坡度5～10°，地面高程約150 m。擋墻為漿砌塊石重力式擋墻，高約3.8 m，頂寬約2.5 m，平面上呈條帶狀，搜集資料顯示擋墻以中等風化砂巖作為持力層，墻體設置有泄水孔，呈梅花形分布。調查未發現擋墻有明顯變形跡象，現狀基本穩定。

（4）棄碴場級別。參照文獻［6］，棄碴場級別根據堆碴量、最大高度及棄碴場失穩后損失或危害程度確定，如表1所示。

本工程屬附屬工程，棄碴場堆碴量28.137 萬m3，最大堆碴高度18.5 m。但是棄碴場側緣距離杭新景高速公路隔離柵欄最近處僅5 m，坡腳距離上莊村313 m。棄碴體一旦失穩，可能對杭新景高速公路和周圍村莊產生嚴重危害，因此，綜合判定棄碴場的級別為1級。

3 數值分析軟件的邊坡穩定性計算原理

采用比值定義法計算邊坡中結構面上的抗滑能力與滑動能力的比值，如式（1）所示：

表1 棄碴場級別

式中，R為坡體結構面上的抗滑力，S為坡體結構面上的滑動力。

采用應力水平法計算坡體結構面剪切應力的穩定系數，當坡體結構面某點的有效主應力差為以此點作有效主應力差的莫爾圓，并保持圓心位置不變，作與之相切的直徑為的破壞應力圓，則整個坡體結構面的穩定系數如式（2）所示：

采用剪應力法計算坡體結構面的穩定系數，如式（3）所示：

采用應力水平加權強度法計算坡體結構面的穩定系數，如式（4）所示：

4 棄碴場邊坡穩定三維數值分析

4.1 計算方法

棄碴場邊坡穩定性分析的方法有多種，本文對棄碴場邊坡穩定性評價采用MⅠDAS軟件進行數值分析計算。參照文獻［5］，棄碴場安全系數驗算按照表2中的4 種工況進行。

（1）工況Ⅰ

正常工況時，僅考慮自重及正常地下水位。在進行棄碴場穩定性分析時首先需要解決研究對象問題，根據陳祖煜［26］的研究，當將浸水土體作為研究對象時，水和土骨架之間的力是系統內力，包括浮力以及滲透力，在計算過程中都不用考慮，土體的水上部位取天然容重，水下部位取飽和容重，滑動體邊界還要受到坡外水的壓力，對這部分力，又可通過處理方法，將坡外水位以下的土體重量減去同體積水的重量。

表2 安全系數

（2）工況Ⅱ

考慮到當暴雨或連續降雨強度大于地表面吸納降雨的能力時，地表面的邊界處于飽和狀態，因而采用MⅠDAS GTS中降雨分析的流量—水頭轉換功能（面流量＞滲流系數時，總水頭=位置水頭），將暴雨或連續降雨工況的流量邊界（降雨吸納邊界）自動轉換為水位條件。其降雨面流量＞滲流系數的邊界強度設置為211.7 mm·d-1（根據開化縣氣象資料，當地100 年一遇的降雨強度為211.7 mm·d-1），持續時間為1天。

（3）工況Ⅲ

棄碴場受到地震慣性作用后，棄碴場邊坡整體下滑力加大從而導致棄碴場失穩。如表2所示，判定本工況下棄碴場安全等級為一級，進而將地震計算烈度提高一度，水平地震系數按照地震烈度Ⅵ度取值。數值分析中采用美國圣費爾南多（San Fernando）的地震波作為輸入波，其輸入波數值見圖2，水平峰值加速度取值0.3g，豎向峰值加速度為水平方向的2/3倍，計算時長取10 s，動力計算的時間步長取0.01 s。

圖2 San Fernando輸入波加速度時程曲線

（4）工況Ⅳ

參照文獻［2］，暴雨工況對應的降雨強度對1、2級棄碴場不應小于50 年一遇，對3、4、5級棄碴場不應小于20 年一遇，分析此時棄碴場能否維持自穩，采用MⅠDAS GTS瞬態水位下土體容重、黏聚力、內摩擦角等指標的有效值，并結合位于地震Ⅵ度烈度區的浙江省開化縣地質調查數據進行數值分析。

4.2 計算模型與參數

為了減少邊界取值對MⅠDAS計算精度的影響，選擇露天棄碴場坡腳左側邊界距離為斜面高度的1.5 倍，坡面頂點至右側的距離為斜面高度的2.5倍。網格劃分單元為六面體實體單元，露天棄碴場的底部設置全約束，將邊坡的四周邊界設置為方向約束［3］，如圖 3所示。

圖3 棄碴場有限元模型

4.2.1 計算參數

邊坡的碴體局部地段目前已被壓實，碴體頂部為壓實平整的場地，碴體已堆放時間較長，根據當地工程勘察經驗，結合同類型棄碴場情況的MⅠDAS數值分析，各參數見表3。

4.2.2 數值結果分析

通過MⅠDAS GTS分析棄碴場的主應力分布（第一、第三主應力）、等效應變、塑性應變、Y方向位移等數值，如圖4所示。

表3 棄碴場穩定性計算參數

圖4 4種工況下數值結果對比

4.3 計算結果分析

依據文獻［5］要求，結合邊坡設計工程經驗，本邊坡評估計算的工況及穩定性安全系數如表5所示。綜合考慮地層條件和邊坡地形，在地層條件較差、地形上存在較大變異之處，擬定最底層的跛腳區域作為典型剖面，如圖3所示，計算得到棄碴場安全系數，如表5所示。

表5 棄碴場安全系數

（1）正常工況

正常工況下，潛在破壞區域主要集中在棄碴場南部坡度較陡的位置，可能出現的破壞模式是南部較陡邊坡頂部崩塌、底部剪出。

（2）暴雨或連續降雨工況

暴雨或連續降雨工況下，邊坡上部的土體在暴雨作用下逐漸發生水平位移，隨著降雨量的增大位移逐漸增大，但位移量未達到破壞狀態；其潛在破壞區域主要集中在棄碴場南部坡度較陡處，可能出現的破壞模式是南部較陡邊坡頂部崩塌、底部剪出。通過數值分析可知，暴雨或連續降雨作用工況下的邊坡整體安全系數為1.712 5，安全儲備充足，邊坡處于穩定安全狀態。

（3）地震工況

在地震工況下，隨地震時間增加，棄碴場南部較陡位置的水平及Y方向位移變化增大。由于棄碴屬于散體結構，且棄碴場底部更是坐落在素填土層，如果棄碴場的坡面和坡底同時受到剪應力和拉應力作用，南部較陡位置底部的一級邊坡必將出現較大的裂縫。如表6所示，其Y方向最大位移8.579 cm。另外根據分析（表5），該工況的邊坡整體安全系數為1.120 3，僅比規范1.10的安全系數高出0.020 3，目前處于穩定安全狀態，但需加強監測。

表6 地震作用下棄碴場Y方向最大位移

（4）暴雨或連續降雨+地震工況

在暴雨或連續降雨+地震的作用下，棄碴場水平位移隨著地震時間增加在迅速擴大，尤其是棄碴場的素填土層。在地震及暴雨作用前，邊坡無塑性區，隨地震作用，塑性區沿棄碴場素填土底面逐漸形成貫通區；當輸入San Fernando的地震波3 s后，棄碴場塑性貫通區形成；在10 s時，棄碴場一級邊坡的Y方向最大位移為19.240 cm，如表6所示，即邊坡出現開裂變形。由數值模擬結果推斷，在地震發生10 s后，棄碴場素填土全部為塑性區，此時安全系數為1.055 2。雖然滿足規范1.05的安全系數，但棄碴場局部坡頂位置的沉降及坡腳位置的塑性應變變形較大。為消除此種條件下邊坡失穩坍塌的隱患，需提前在棄碴場邊緣外設置截水溝，截流坡面匯水，消除坡面積水現象，并對頂部平臺進行覆土綠化，種植綠化樹進行固土，確保棄碴場的穩定性。

5 結論

（1）根據文獻［6］，白鶴山隧道棄碴場級別為1級。正常工況下，棄碴場穩定性系數為2.110 9，大于規范要求的最小安全系數1.45，穩定性達到穩定級別，判定為穩定性良好。同時棄碴場在暴雨或連續降雨作用工況、地震作用工況下可以滿足文獻［5］的安全系數控制要求。

（2）通過棄碴場支護使用情況建立了空間3D模型，充分考慮復雜水文地質的空間影響，計算了正常工況、暴雨或連續降雨工況、地震工況及暴雨或連續降雨+地震工況對棄碴場的作用。模型分析表明，暴雨或連續降雨+地震的工況對棄碴場穩定性評價影響明顯。尤其是南部較陡位置底部的一級邊坡出現19.240 cm的Y方向位移。該工況下邊坡整體安全系數為1.055 2，僅比規范1.05的安全系數高出0.005 2，需對南部較陡位置采取加固措施。

（3）暴雨或者地震等綜合因素致使棄碴場的坡頂沉降及坡腳的塑性變形較大，為防止棄碴場失穩，采用“排水工程+掛網噴錨+抗滑樁”的策略。一方面，可在棄碴場最上級邊坡鋪筑干砌片石進行坡面雨水的排引，防止雨水入滲，由此防止坡頂位置沉降擴大，保證最上級邊坡的坡面穩定。另一方面，棄碴場坡體沒有任何支護措施，容易產生蠕滑錯動，建議對棄碴場強夯補強后進行掛網噴錨，并適當加入錨桿錨索。同時為降低坡腳位置的坡體推力，建議在最下級邊坡坡腳設置一排抗滑樁進行防護，并加強地下水位和裂縫監測工作。